DE2347424A1 - METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICES - Google Patents
METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICESInfo
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Description
Priorität: 20. September 1972, Japan, Nr. 93600/1972Priority: September 20, 1972, Japan, No. 93600/1972
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere von MOS-Feldeffekttransistoren des Verarmungstyps mit P-Kanal.The invention relates to a method for manufacturing semiconductor devices, especially of MOS field effect transistors of the depletion type with P-channel.
In den neuesten integrierten MOS-Halbleiterschaltungen ist das sogenannte E/D-Schaltungssystem entwickelt worden, bei dem MOS-Feldeffekttransistoren des Anreicherungstyps (enhancement=^) mit P-Kanal mit MOS-Feldeffekttransistoren des Verariaungstyps (depletion»D) mit P-Kanal in einer einzigen Schaltung kombiniert werden. Bei einem solchen System dient der Verarmungs-MOS-Transistor als Lasttransistor oder dergleichen. Die Schwellenspannung VT dieses Transistors ist steuerbar, v/odurch sich Verbssserungen insofern ergeben, als sich der Leistungsbedarf vermindern und die Verzögerungszeit der integrierten MOS-Halbleiterschaltung verkürzen lassen. Dabei müssen die P-Kanal-Feldeffektransistoren der beiden Typen, das heißt des Anreicherungstyps und des Verarmungetyps, in ein und dem selben Halbleitersubstrat vereinigt werden. Generell wird der Anreicherungs-MOS-Transistor mit P-Kanal einfach dadurch hergestellt, daß in einem N-Halbleitersubstrat Source- und Drainzonen des P-Typs geformt werden. Andererseits erfordert der Verarmungs-MOS-Transistor mit P-Kanal zur Ausbildung einer P-Kanal-Veraraungszone in der Produktion die Dotierung de3 Kanalbereichs mit P-Stör stoff en, um die Schvrel-In the latest integrated MOS semiconductor circuits, the so-called E / D circuit system has been developed, in which MOS field effect transistors of the enhancement type (enhancement = ^) with P-channel with MOS field effect transistors of the verariaung type (depletion »D) with P-channel in can be combined in a single circuit. In such a system, the depletion MOS transistor serves as a load transistor or the like. The threshold voltage V T of this transistor can be controlled, which results in improvements insofar as the power requirement is reduced and the delay time of the integrated MOS semiconductor circuit can be shortened. The P-channel field effect transistors of the two types, that is to say the enhancement type and the depletion type, have to be combined in one and the same semiconductor substrate. In general, the P-channel enhancement type MOS transistor is fabricated simply by forming P-type source and drain regions in an N-type semiconductor substrate. On the other hand, the depletion MOS transistor with P-channel to form a P-channel depletion zone in production requires the doping of the 3 channel region with P-type interfering substances in order to reduce the
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lenspannung V_ zu steuern.to control lens voltage V_.
Als Verfahren zur Steuerung der Schwellenspannung durch Störstoff-Dotierung ist bisher die Ionen-Einsatztechnik bekannt. Als Beispiel für die Anwendung bei der Fabrikation von MOS-Feldeffekttransistoren ist ein Verfahren genannt worden, bei dem zur Steuerung der Schwellenspannung Vm der Gatezone die Ionen mit einer derartigen Einsatzenergie eingesetzt werden, daß die Störstoffionen nur den Kanalbereich erreichen (John Macdougall, "Ion Implantation Offers a Bagful of Benefits for MOS», Electronics, 22. Juni 1970).The use of ions has hitherto been known as a method for controlling the threshold voltage by doping impurities. As an example for the application in the manufacture of MOS field effect transistors a method has been mentioned in which to control the threshold voltage Vm of the gate region Ions are used with such an input energy that the contaminant ions only reach the channel area (John Macdougall, "Ion Implantation Offers a Bagful of Benefits for MOS », Electronics, June 22, 1970).
Vor der Fertigstellung der vorliegenden Erfindung hatten die Erfinder selbst ferner auf ein Verfahren hingewiesen, gemäß dem zur Steuerung der Gate-Schwellenspannung V™ durch Ioneneinsatz verhindert wird, daß Schwankungen in der Dotierungsmenge durch den Einsatz zu Streuungen oder Schwankungen in der Dicke der Gate-Oxidfilme und der Einsatzenergie bei den Einsatzvorgängen führen, wodurch eine hohe Genauigkeit in der Gate-Schwellenspannung V™ erzielt wird (Aufsätze von Mitsunori Warabisako und Shigeru Nishimatsu mit den Titeln "Ion Injection into Semiconductor", "Lattice Defect of Semiconductor Subjected to Ion Infection11 und "Ion Injection into MOS Construction", veröffentlicht bei dem am Physikalischen und Chemischen Forschungsinstitut in Tokio, Japan, vom 22. bis 24. Februar 1971 Abgehaltenen Riken-Symposium, wobei diese Aufsätze auch auf den Seiten 11 bis 21 in "Tlie Abstract Book for the Symposium11 herausgegeben vom Physikalischen und Chemischen Forschungsinstitut ..und der Gesellschaft für Angewandte Physik, Branch of Applied Property of Electron, veröffentlicht worden ist).Before completing the present invention, the inventors themselves had further pointed out a method according to which, in order to control the gate threshold voltage V ™ by the use of ions, fluctuations in the doping amount due to the use are prevented from causing scattering or fluctuations in the thickness of the gate oxide films and the input energy in the deployment processes, whereby a high accuracy in the gate threshold voltage V ™ is achieved (essays by Mitsunori Warabisako and Shigeru Nishimatsu with the titles "Ion Injection into Semiconductor", "Lattice Defect of Semiconductor Subjected to Ion Infection 11 and "Ion Injection into MOS Construction," published at the Riken Symposium held at the Physical and Chemical Research Institute in Tokyo, Japan, February 22-24, 1971, these articles also appearing on pages 11-21 of "Tlie Abstract Book for the Symposium 11 published by the Physical and Chemical Research Institute .. and the Ges Society for Applied Physics, Branch of Applied Property of Electron).
Im einzelnen haben die verschiedenen Veröffentlichungen den im Folgenden angegebenen Inhalt. Gemäß dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Rückflanke der Einsatzstörstoff-Verteilung gemäß der Kurve (A) der Fig. 9 in den beigefügten Zeichnungen verwendet wird, schv/ankt die Sohvellensrannurig Vm wegen derIn detail, the various publications have the following content. According to the conventional method in which the trailing edge of the feed impurity distribution according to curve (A) of FIG. 9 in the accompanying drawings is used, the level range V m varies because of the
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Dicken-Streuungen der Gate-Oxidfilme oder der Schwankungen der Ionen-Einsatzenergie in" starkem Maße. Im Gegensatz dazu ist die Schwellenspannung nur geringen Schwankungen unterworfen und -läßt sich sehr präzise steuern, wenn die Ionen derart eingesetzt werden, daß der Maximalwert der Verteilung der Störstoffkonzentration durch den Ioneneinsatz im wesentlichen an der Siliciumoberfläche oder innerhalb des Halbleiters jenseits der Oberfläche auftritt, wie dies durch die Kurven (B) bzw. (C) in Fig. 9 veranschaulicht ist.Thickness scattering of the gate oxide films or the fluctuations of the ion input energy to a large extent. In contrast to this, the threshold voltage is subject to only slight fluctuations and can be controlled very precisely if the ions are used in such a way that the maximum value of the distribution of the Concentration of impurities by the use of ions occurs essentially on the silicon surface or within the semiconductor beyond the surface, as is illustrated by curves (B) and (C) in FIG. 9, respectively.
Die Erfinder hatten den Gedanken, die hochpräzise Steuermethode für die Gate-Schwellenspannung. V™ auf integrierte NOS-Schaltungen des Ξ/D-Typs (d.h. mit Anreicherung- und Verarmungs-Transistoren arbeitenden Typs) anzuwenden. Dazu wurden Versuche zum Einsatz von P-Störstoffionen in den Kanalbereich eines Anreicherungs-MOS-Transistors mit P-Kanal durchgeführt, wobei sich die folgenden Tatsachen herausstellten (vergl. Fig. 6):The inventors came up with the highly precise control method for the gate threshold voltage. V ™ on NOS Integrated Circuits of the Ξ / D type (i.e. with enrichment and depletion transistors working type). For this purpose, attempts were made to use P-type impurity ions in the channel region of an enhancement MOS transistor carried out with P-channel, whereby the following facts turned out (cf. Fig. 6):
(1) Nimmt die Menge der durch Ioneneinsatz in den Kanalbereich eingeleiteten .Störstoffe zu, so verschiebt sich äie Kur\re Gate-Spannung - Drain-Strom (V~ - I-pq) parallel zu sich selbst, und die Schwellenspannung Vm nimmt ab. .(1) If the amount of introduced ion-use in the channel region .Störstoffe to shifts then AEIE cure \ r e gate voltage - drain current (V ~ - I-pq) to himself, and receives in parallel the threshold voltage Vm away. .
(2) ¥ird die Menge der eingeleiteten Störstoffe weiter erhöht, so erreicht die Schwellenspannung Vm positive Werte, und der Betriebsmodus des Transistors ändert(2) If the amount of contaminants introduced is increased further, the Threshold voltage Vm positive values, and the operating mode of the transistor changes
sich in denjenigen eines Verarmungs-Transistors.turns into those of a depletion transistor.
(3) Wird die Menge der eingeleiteten Störstoffe noch weiter erhöht, so daß die Schwellenspannung Vm einen Wert von annähernd +3V erreicht, .so tritt ein Source-Drain-Leckstrom Ι-ηοΤ auf, der sich nicht durch die Gate-Spannung steuern läßt.(3) If the amount of introduced impurities is increased even further, so that the threshold voltage Vm reaches a value of approximately + 3V, a source-drain leakage current Ι-ηο Τ occurs which is not controlled by the gate voltage leaves.
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Der Leckstrom verursacht in dem Transistor unnötigen Leistungs verbrauch. Außerdem führt e-r zu einer Verhinderung in der Integrationsclichte sowie zu Nachteilen im Betrieb einer integrierten .Schaltung. Als Ursache für die Entstehung dieses Leckstroms v/erden folgende Umstände angesehen. Beim MOS-FeIdeffekttransistor ist die Tiefe , gemessen von der Oberfläche, innerhalb der sich die Steuerung mittels des Feldeffekts bewerkstelligen läßt, Grenzen unterworfen. Diese Tiefe von der Oberfläche aus wird gewöhnlich als maximale Oberflachen-Verarmungsschichttiefe (oder -diclie) x, bezeichnet, die durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:The leakage current causes unnecessary power in the transistor consumption. In addition, e-r leads to a prevention in the Integration classes as well as disadvantages in the operation of an integrated .Circuit. The following circumstances are considered to be the cause of the generation of this leakage current. With the MOS field effect transistor is the depth, measured from the surface, within which control by means of the field effect is accomplished leaves, boundaries. This depth from the surface is commonly referred to as the maximum surface depletion layer depth (or -diclie) x, denoted by given the following expression:
wobei φγ das Fermipotential, N. die Störstoffkonzentration,where φγ is the Fermi potential, N. the concentration of contaminants,
e„ die spezifische Induktivität d.es Halbleiters, e die ε t ο e "the specific inductance of the semiconductor, e the ε t ο
Elektrisitätskonstante von Vacuum und q. die Elementarladung bedeuten.Electricity constant of vacuum and q. the elementary charge mean.
Fig. 7 veranschaulicht die Störstoffkonzentration N^ eines PN-Übergangs in dem Fall, daß Borionen, d.h. die Ionen einesFig. 7 illustrates the impurity concentration N ^ an PN junction in the event that boron ions, i.e. the ions of a
Störstoffelements des P-Typs, in einen N-SiliciumhalbleiterP-type impurity element into an N-type silicon semiconductor
15 -"5 mit einer Substrat-Störstoffkonzentration NDS =2x10cm mit einer Beschleunigungssriannung von 31 KeV und einer Ober-15 - "5 with a substrate impurity concentration N DS = 2x10cm with an acceleration voltage of 31 KeV and an upper
11 —2
flächendichte von 10 χ 10 cm eingesetzt worden sind. Die Verteilung der St or stoff konzentration N^ v/ird nach der LSS-'
Theorie (der Theorie von Lindhard, Scharff und Schilt) berechnet. Die Tiefe x. des Übergangs wird etwa 1,700 A. Wie
in Fig. 8 veranschaulicht, ist daher derjenige Teilbereich 7' eines P-Kanals 7, der zwischen der maximalen Tiefe x^max der
Oberflächenverarmungsschicht und der Tiefe χ. --des Übergangs
liegt, durch den Feldeffekt der Gatezone nicht steuerbar. Durch diese "Passage" 7T des P~Leitungst3rps fließt der oben
erwähnte Leckstrom. (Gemäß Fig. 7 berechnet sich ^3x- = 1.000
durch Näherimg, wobei angenommen wird, daß die Storstoffkon-11-2
surface density of 10 χ 10 cm have been used. The distribution of the substance concentration N ^ v / is calculated according to the LSS theory (the theory of Lindhard, Scharff and Schilt). The depth x. of the transition becomes about 1.700 A. As illustrated in FIG. 8, that sub-region 7 'of a P-channel 7 which lies between the maximum depth x ^ max of the surface depletion layer and the depth χ. - of the transition is not controllable by the field effect of the gate zone. The above-mentioned leakage current flows through this "passage" 7 T of the P ~ line 3 r ps. (According to Fig. 7, ^ 3x - = 1,000 is calculated by approximation, where it is assumed that the
17 — ^
zentration ΝΛ =10 cm ^ beträgt und in Tiefenric'htung konstant17 - ^
centering Ν Λ = 10 cm ^ and constant in depth
409816/0766 bad oriqinal409816/0766 bad oriqinal
. 2347A24. 2347A24
ist.) Wie gesagt, ist der durch den Feldeffekt der Gatezone nicht gesteuerte Teilbereich des P-Kanals die Ursache für den Leckstrom.As already mentioned, the partial area of the P-channel that is not controlled by the field effect of the gate zone is the cause of the leakage current.
Aufgabe der jT.rfindirn.^; ist es, den Leckstrom durch lonenej.nsatz in einem MOS-Feldeffe^ttransistor des Verarroungstyps nit P-Kanal zu vermindern. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es auch, die Schwellenspannung Vm einer MOS-Halbleitereinrichtuiig genau zu steuern.Task of the jT.rfindirn. ^; it is to use the leakage current through ionenej.nsatz in a MOS field effect transistor of the Verarroungtyps nit P-channel to diminish. The object of the invention also includes the Threshold voltage Vm of a MOS semiconductor device accurately steer.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterei?irichtung darin, daß mindestens der erste Schritt der Bildung einer dotierten Störstoffschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps so ausgeführt wird, daß der Maximalwert der schwankenden Konzentration dieses Störstoffs des ersten Leitungstyps im wesentlichen an einem Oberflächenteil eines Halbleitersubstrats oder in einem inneren Bereich des Substrats auftritt, und daß der zweite Schritt des Einsatzes von Störstoffionen eines zweiten Leitungstyps, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, so ausgeführt wird, daß die schwankende Konzentration des Störstoffs des zweiten Leitungstyps ihr Maximum in einem inneren Teil des Substrats aufweist, wobei die Störstoffkonzentration der durch den zweiten Schritt geformten dotierten Schicht an der Substratoberfläche einen kleineren Wert hat als die Störstoffkonzentration der in dem ersten Verfahrensschritt geformten dotierten Schicht. The method according to the invention is used to achieve this object to manufacture a semiconductor device in that at least the first step of forming a doped impurity layer of a first conductivity type is carried out so that the maximum value of the fluctuating concentration this impurity of the first conductivity type substantially on a surface part of a semiconductor substrate or in a inner region of the substrate occurs, and that the second step of using impurity ions of a second conductivity type, which is opposite to the first conductivity type, is carried out so that the fluctuating concentration of the Contaminant of the second conductivity type has its maximum in an inner part of the substrate, wherein the impurity concentration of the doped layer formed by the second step on the substrate surface has a smaller value as the impurity concentration of the doped layer formed in the first process step.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer MOS-Halbleitereinrichtung des Verarmungstyps mit P-Kanal besteht darin, daß eine mit einem P-Störr.toff dotierte Schicht in einem N-Halbleitersubstrat, acis an seiner Oberfläche einen Isolationsfilm aufweist, derart geformt wird, daß der Maximalwert der Störstoffkonzentrations-Verteilung; im wesentlichen an der Grenzschicht zwischen dem-'Substrat und dem Isolationsfilm oder innerhalb der maximalen Tiefe der Another embodiment of the method of the present invention for manufacturing a P-channel depletion-type MOS semiconductor device is that a P-type interference doped layer is formed in an N-type semiconductor substrate which has an insulating film on its surface. that the maximum value of the contaminant concentration distribution; substantially at the interface between the substrate and the insulating film or within the maximum depth of the
., ;, 409816/0768., ; , 409816/0768
BAD ORiGINALBAD ORiGINAL
23 47/: 2 4 '23 47 /: 2 4 '
Oberflächenverarmungsschicht innerhalb des Substrats auftritt, und daß N-Störstoffe" in einer Ilenge, die ausreicht, um die P-Störstoffkonzentration der mit dein P-Störstoxf dotierten Schicht in der Umgebung der maximalen Tiefe der Verarmungsschicht zu kompensieren, einem Ioneneinsatz unterworfen werden, so daß der Ilaxinalwert der Stör Stoffverteilung in der Umgebung der maximalen Tiefe der Verarmungsschicht auftritt.Surface depletion layer occurs within the substrate, and that N-impurities "in an amount that is sufficient around the P-impurity concentration of the doped with the P-Störstoxf Layer in the vicinity of the maximum depth of the depletion layer to compensate, subjected to an ion use so that the Ilaxinal value of the disturbance substance distribution in the Occurs around the maximum depth of the depletion layer.
Gemäß den genannten Ausfuhrungsformen werden die P-Störstoffe in demjenigen Bereich innerhalb der mit dem P-Störstoff dotier-' ton Schicht, die tiefer ist als die maximale Tiefe der Verarmungsschicht, aufgehoben, und der neue PN-Übergang rückt von der maximalen Tiefe der Verarmungsschicht oder über diese hinaus näher an die Oberfläche. Der Leckstrom zwischen einer Source" zone und einer Drainzone, zwischen denen eine derartige mit einem P~Störstoff dotierte Schicht als Kanal besteht, wird somit erheblich vermindert. Gleichzeitig liegen die N-Störstoffe an der Substratober "lache in außerordentlich geringer .Anzahl vor und können gegenüber den P-Storstoffen, die das Maximum der Störstoffkonzentratioiis-Verteilung an dem Teil der Substratoberfläche oder in der Nähe davon aufweisen, vernachlässigt werden. Die Gate-Schwellenspannung Vn1 wird durch den Ioneneinsatz an N-Störstoffen kaum beeinflußt, was durch eine Reihe von experimentellen Ergebnissen nachgewiesen worden ist.According to the embodiments mentioned, the P-type impurities are eliminated in that region within the layer doped with the P-type impurity which is deeper than the maximum depth of the depletion layer, and the new PN junction moves from the maximum depth of the depletion layer or beyond this closer to the surface. The leakage current between a source zone and a drain zone, between which there is such a layer doped with an impurity substance as a channel, is thus considerably reduced with respect to the P-impurities, which have the maximum of the impurity concentration distribution on that part of the substrate surface or in the vicinity thereof, are neglected. The gate threshold voltage Vn 1 is hardly influenced by the use of ions on N-type impurities, which has been proven by a number of experimental results.
Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigenThe invention is explained in more detail in the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawings. Show in the drawings
'Fig. 1a bis 1e Vertikalcchnitte durch eine'Fig. 1a to 1e vertical sections through a
Halbleitereinrichtung in verschiedenen Stufen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; Semiconductor device in various Stages of a manufacturing method according to the invention;
409816/0756 BADOR1CNAL409816/0756 BADOR 1 CNAL
, . 2347Α24,. 2347Α24
Fig. 2 ein Diagramm rait Kurven, die die Verteilung der Störstoffkonzentration in einem erfindungsgeraäßen Ausführungsbeispiel zeigen;Fig. 2 is a diagram showing curves showing the distribution the concentration of contaminants in an exemplary embodiment according to the invention demonstrate;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Halbleiter einrichtung der Fig. 1 nach ihrer Vollendung»Fig. 3 is a vertical section through the semiconductor device of FIG. 1 according to their Completion"
■Fig. 4a und 4b sowie Fig. 5a und 5b■ Fig. 4a and 4b and FIGS. 5a and 5b
Diagramme mit Kurven, die Verteilungen der Störstoffkonzentration, jeweils vor dem Einsatz von Störstoffen (a) und nach dem Einsatz von Störstoffen (b) gemäß v/eiteren Ausführungsformen der Erfindung angeben;Diagrams with curves showing the distributions of the concentration of contaminants, each in front according to the use of contaminants (a) and after the use of contaminants (b) v / indicate further embodiments of the invention;
Fig. 6 und 7 Diagramme zur Erläuterung des6 and 7 are diagrams for explaining the
prinzipiellen erfindungsgemäßen Aufbaus, v/obei in Fig. 6 Kurven eingezeichnet sind, die den Source-Drain-Strom über der Gate-Spannung wiedergeben, während die Kurven in Fig. 7 die Verteilung der Störstoffkonzentration angeben?basic structure according to the invention, v / obei in Fig. 6 curves are drawn, which represent the source-drain current versus the gate voltage, while the curves 7 shows the distribution of the concentration of contaminants indicate?
Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch eine herkömmliche KOS-Halbleitereinrichtung; undFig. 8 is a vertical section through a conventional one KOS semiconductor device; and
Fig. 9 ein Diagramm von Verteilungskurven der9 is a diagram of distribution curves in FIG
Störstoffkonzentration beim Ioneneinsatz zur Steuerung der Schwellenspannung Vm von MOS-Halbleitereinrichtungen.Concentration of impurities when using ions to control the threshold voltage Vm from MOS semiconductor devices.
Die Figuren 1a bis 1e geben ein Herstellungsverfahren wieder, bei dem die'vorliegende Erfindung auf eine MOS-Feldeffekttransistor des Verarmungstyps mit P-Kanal angewandt wird,FIGS. 1a to 1e show a production method in which the present invention is based on a MOS field effect transistor of the depletion type with P-channel is applied,
: _ ,v,- . 409816/0766: _, v, -. 409816/0766
2347*242347 * 24
und veranschaulichen die Zustände der Halbleitereinrichtung •zu aufeinanderfolgenden verschiedenen Stufen. Gesäß Fig. 1a wird ein N-Siliciumsubstrat 1and illustrate the states of the semiconductor device at successive different stages. According to FIG. 1a, an N-type silicon substrate 1 becomes
vorbereitet. Die Substratoberfläche wird oxydiert, so daß ein ili.'; 2 entsteht.prepared. The substrate surface is oxidized, so that a ili. '; 2 is created.
Gemäß Fig. 1b sind Teile des Siliciumoxidfilms durch Fotoätzung entfernt worden. In die freigelegten Teile des Siliciumsubstrats werden Akzeptoren, beispielsweise Boratome, eindiffundiert, so daß eine Sourcezone 3 und eine Drainzone 4, jeweils des P~Leitungstyps, gebildet werden. According to FIG. 1b, parts of the silicon oxide film have been removed by photoetching. Acceptors, for example boron atoms, are diffused into the exposed parts of the silicon substrate, so that a source zone 3 and a drain zone 4, each of the P ~ conduction type, are formed.
Gemäß Fig. 1c wird der Cxidfilm auf dem Substrat an der Stelle, an der die Gatezone bestehen soll, zwischen der Source- und der Drainzone durch Fotoätzung entfernt.As shown in Fig. 1c, the cxide film is placed on the substrate at the point where the gate zone should exist, removed between the source and drain zones by photoetching.
Gemäß Fig. 1d wird das Substrat nochmals einer thermischen Oxydation unterworfen, so daß auf dem freigelegten Teil ein Oxidfilm 5 mit einer Dicke von 1.000 A entsteht, der den Gate-Isolationsfilm bilden soll.Referring to FIG. 1d, the substrate is again subjected to thermal oxidation so that an oxide film 5 is formed on the exposed portion having a thickness of 1000 A, is to form the gate insulating film.
Gemäß Fig. 1e v/erden zum einen in das Substrat 1 durch den Ox dfilm 5 hindurch Borione eingesetzt, die in dem Oberflächenbereich des Substrats eine P-dotierte Schicht 6 bilden. Die Beschleunigungsspannung für die Borione wird in diesem Moment auf 31 KeV eingestellt, so daß der Maximalwert der Verteilung der Störstoffkonzentration im wesentlichen an der Zwischenschicht zwischen dem Oxidfilm und dem Siliciumsubstrat oder innerhalb des Substrats liegt. In diesem' Fall haben die Verteilungskurven der P-Störstoffkonzentration einen Verlauf, wie er in Fig. 2 durch die strichpunktierten Linien (a) und; (b) wiedergegeben ist. Vorzugsweise liegt jedoch die Oberflächenkonzentration etwas unter dem Maximalwert der Verteilung. Die Oberflächenkonzentration läßt sich in einem Bereich von etwa 0,1 bis 1 einstellen. In Fig. 2 ist die Substrattiefe mit χ bezeichnet, wobei χ - 0 die Substratoberfläche bedeutet (vergl. au'Vh F":g. 1e). Die maximale Tiefe der Oberflächenverarmungsscbicht ist in der Störstoffverteilung mit xd a bezeichnet. Der gegenüber der Tiefe x-dmax tiefer liegendeAccording to FIG. 1e, on the one hand, boron ions are inserted into the substrate 1 through the oxide film 5 and form a P-doped layer 6 in the surface region of the substrate. The acceleration voltage for the boron ions is set to 31 KeV at this moment, so that the maximum value of the distribution of the impurity concentration is substantially at the intermediate layer between the oxide film and the silicon substrate or within the substrate. In this case, the distribution curves of the P-impurity concentration have a course as shown in Fig. 2 by the dash-dotted lines (a) and; (b) is reproduced. However, the surface concentration is preferably somewhat below the maximum value of the distribution. The surface concentration can be set in a range from about 0.1 to 1. In Fig. 2, the substrate depth is denoted by χ, where χ - 0 denotes the substrate surface (cf. au'Vh F " : g. 1e). The maximum depth of the surface depletion layer is denoted by x da in the impurity distribution x-dmax lower lying
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Teil j.nvertiert zu einem P-leitenden Bereich und wird daher 'die Ursache eines Leckstroms. Dabei wird die P-Inversion durch den anschließenden Einsatz von Phosphor aufgehoben.Part j inverts to a P-type area and therefore becomes 'the cause of a leakage current. Thereby the P-inversion repealed by the subsequent use of phosphorus.
Gemäß Fig. 1e wird, wie gesagt, ferner durch den Oxidfilm Phosphor in das Substrat eingesetzt, so daß innerhalb des Substrats eine N-dotierte Schicht entsteht. In diesem Fall beträgt die Beschleunigungsspannung für die Phosphorionen 163 KeV, und der Einsatz erfolgt bei 1,3 x 1011 cm"2. In diesem Fall weist die Konzentrations-Verteilungskurve für die mit dem N-Störstoff dotierte Schicht, die durch den Einsatz von Phosphor erzeugt worden ist, ihren maximalen Wert an der Tiefe Xo a auf, wie dies durch die gestrichelten Linien (c) und (d) in Fig. 2 angegeben ist. An dem Teil der Substratoberfläche (x = O) wird die Störstoffkonzentration der IT-dotierten Schicht gegenüber derjenigen der P-dotierten Schicht hinreichend kleiner gemacht. Die Phosphorkonzentration wird außerdem in einem Bereich innerhalb der maximalen Tiefe der Oberflächenverarmungsschicht gegenüber der Borkonzentration genügend klein gemacht, so daß die Trägerdichte in diesem Bereich im wesentlichen durch das Bor bestimmt wird.According to FIG. 1e, as stated, phosphorus is also inserted into the substrate through the oxide film, so that an N-doped layer is formed within the substrate. In this case, the acceleration voltage for the phosphorus ions is 163 KeV, and they are used at 1.3 × 10 11 cm " 2 Phosphorus has been generated, its maximum value at the depth Xo a as indicated by broken lines (c) and (d) in Fig. 2. At the part of the substrate surface (x = O), the impurity concentration of IT In addition, the phosphorus concentration is made sufficiently small compared to the boron concentration in a region within the maximum depth of the surface depletion layer, so that the carrier density in this region is essentially determined by the boron.
Da die Störstoffe der P-dotierten Schicht und die der N-dotierten Schicht entgegengesetzten Leitungstyp-aufweisen, heben cie einander auf. Infolgedessen ergeben sich Konzentrationsverteilungskurven, die in Fig. 2 mit den ausgezogenen Linien (f) und (g.) angegeben .sind.Since the impurities of the P-doped layer and those of the N-doped Layer opposite conductivity type-have, raise cie each other up. This results in concentration distribution curves, which are indicated in Fig. 2 with the solid lines (f) and (g.).
Die P-Störstoffe v/erden von den N-Störstoffen aufgehoben, die so eingesetzt sind, daß die Spitze der Verteilung nahe an der Tiefe X-," liegt. Die P-Störstoffe werden in ihrer Konzentration stark reduziert, und ihre Konzentrationskurve'"nimmt abrupt ab. Entsprechend liegt die Spitze der \ferteilung der Phosphor- cc er N-Störstoffe im wesentlichen bei 3C0 , so daß ein etwas weniger •tiefer Bereich (bei x'.) präzise gebildet wird.The P-impurities are canceled out by the N-impurities, which are used in such a way that the top of the distribution is close to the depth X-, ". The P-impurities are greatly reduced in their concentration, and their concentration curve '" abruptly decreases. Correspondingly, the peak of the distribution of phosphorus and N-impurities is essentially at 3C 0 , so that a somewhat less deep area (at x '.) Is formed precisely.
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Der Einsatz der N-Storstoffe gestattet eine Anordnung des 'PN-Übergangs in einer Tief e~ von etwa 1.000 A tinter der Trennfläche zwischen dem Siliciumoxidfilm und dem Siliciumsubstrat. Somit wird es möglich, die PIT-Üb er gangs zone vreniger tief als nach dera Stand der Technik zu gestalten.The use of the N-interfering substances allows an arrangement of the 'PN junction in a depth of about 1,000 ~ e A tinter the interface between the silicon oxide film and the silicon substrate. This makes it possible to design the PIT transition zone more deeply than according to the state of the art.
Andererseits liegt die Spitze der Verteilung der durch den Ioneneiiisatz eingeleiteten H-Storstoffe in einem inneren Teil des Siliciumsubstrats jenseits der Grenzfläche zwischen dem Siliciumoxidfilm und dem Substrat (d.h. jenseits der Substr&toberflache), so daß die eingesetzten Störstoffe eine an der Substratoberfläche genügend verringerte Konzentration aufweisen. Aus diesem Grund beeinflussen die IT-Storstoffe die Verteilung der P-Störstoffkonzentration in der Umgebung der Siliciumsubstra tober fläche vor dem Einsatz der N-Störstoffe kaum. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn zur Kompensation des nicht steuerbaren P-Kanalbereichs mit einer Diffusion von Phosphor gearbeitet wird, die Störstoffkonzentrationsverteilung des Phosphors an der Siliciumsubstratoberfläche am größten wird und sich dort gegenüber dem Zustand vordem Eindiffundieren des Phosphors erheblich ändert.On the other hand, the peak of the distribution of the H-impurities introduced by the ion addition lies in an inner part of the silicon substrate beyond the interface between the Silicon oxide film and the substrate (i.e. beyond the substrate surface), so that the contaminants used have a sufficiently reduced concentration on the substrate surface. For this reason, the IT storage materials influence the distribution the P-impurity concentration in the vicinity of the silicon substrate Hardly any surface before the use of N-contaminants. In this context it should be noted that if to compensate for the uncontrollable P-channel range with a diffusion of phosphorus is worked, the impurity concentration distribution of phosphorus becomes largest on the silicon substrate surface and is there compared to the state changes considerably before the phosphorus diffuses in.
Da die Schwellenspannung Vm des I!üS~Feldeffekttransistors durch die Konzentration derjenigen Träger bestimmt wird, die in einen Bereich zwischen der Halbleiteroberfläche und der maximalen Tiefe x,qmax der Oberflächenverarmungsschicht vorhanden sind, hängt diese Schwellenspannung von der Konzentration der bis zu dieser Tiefe x. hinunter eingesetzten Bor- und Phosphorstörstoffe ab. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist die Störstoffkonzentration an Phosphor in dein genannten Bereich im Vergleich zu derjenigen an Bor genügend klein, so daß die Gate-Schwellenspannung Vm im wesentlichen nur durch den Einsatz von Bor bestimmt wird.Since the threshold voltage Vm of the I! ÜS ~ field effect transistor is determined by the concentration of those carriers that are present in an area between the semiconductor surface and the maximum depth x, q max of the surface depletion layer, this threshold voltage depends on the concentration of the up to this depth x . boron and phosphorus impurities used down. In the case of the present invention, the impurity concentration of phosphorus in the range mentioned is sufficiently small compared to that of boron, so that the gate threshold voltage Vm is essentially determined only by the use of boron .
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Ein lonen-Einsatzgerät ist mit einen Instrument zur Messung 'der Einsatzi-ienge, etwa einem Strahlennionitor, ausgerüstet, so daß sich die eingesetzten Bor- und Pliosphormengen genau steuern lessen. Daher ist es möglich, die Schwellenspannung Vn1 mit hoher Genauig3ie.it zu steuern. In diesem Fall kann beider Herstellung entweder der Ioneneinsatz- der N-Störstoffe oder die Dotierung mit dem P-Störstoffen vorangehen.An ion deployment device is equipped with an instrument for measuring the amount deployed, such as a radiation ionitor, so that the amounts of boron and phosphorus used can be precisely controlled. Therefore, it is possible to control the threshold voltage Vn 1 with high accuracy. In this case, either the use of ions of the N-impurities or the doping with the P-impurities can precede the production.
Fig. 3 zeigt den fertigen Zustand des nach dem obigen Verfahren hergestellten KOS-Feldeffekttransistors. In Fig. bedeutet die Bezugsziffer 7 einen P-Kanal, während mit 8 eine auf dem Isolierfilm 5 angeordnete Gateelektrode bezeichnet ist. Elektroden und Zuleitungen S, D und G dienen ferner zum Anschluß an die Sourcezone 3, die Drainzone 4 bzw. die Gateelektrode 8.Fig. 3 shows the finished state of the KOS field effect transistor produced by the above method. In Fig. the reference numeral 7 denotes a P-channel, while with 8 a a gate electrode disposed on the insulating film 5 is indicated. Electrodes and leads S, D and G are also used for connection to the source zone 3, the drain zone 4 or the gate electrode 8.
In Fig. 2 und 3 gibt die Tiefe x. die Lage des PN-ÜbergangsIn Figs. 2 and 3 the depth is x. the location of the PN junction
nach dem Phosphoreinsatz an.after the use of phosphorus.
Wie im Zusammenhang mit dem obigen Ausführungsbeispiel erläutert, vermittelt die vorliegende Erfindung folgende Wirkungen:As explained in connection with the above embodiment, the present invention provides the following effects:
(1) Die Störstoffverteilung in Tiefenrichtung des Halbleiters läßt sich abrupt absenken, so daß die ursprüngliche Störstoffkonzentration an der Halbleiteroberfläche oder in deren Umgebung selbst durch den Einsatz von Phosphor kaum verändert wird. Infolgedessen läßt sich die Lage des PN-Übergangs präzise steuern. Gleichzeitig läßt sich ein dünner PN-Übergangsbereich erzeugen.(1) The distribution of impurities in the depth direction of the semiconductor can be reduced abruptly, so that the original impurity concentration on the semiconductor surface or in their environment is hardly changed even by the use of phosphorus. Consequently the position of the PN junction can be precisely controlled. At the same time, a thin PN junction can be created.
(?.) Die Gate-Schwellenspannung Vm läßt sich präzise steuern.(?.) The gate threshold voltage Vm can be control precisely.
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(35) Dank der Y/irkung (2) läßt sich der Leckstrom in dein MOS-Földeffekttransistor des Verarmungstyps reduzieren. (35) Thanks to the effect (2), the leakage current in your depletion type MOS Földe effect transistor.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wird zur Dotierung von Bor für die Steuerung der Schwellenspannung VT eines MIS-FeIdeffekttransistors mit Ioneneinsatz gearbeitet; die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch zur Dotierung von Bor auch in Verbindung mit einer thermischen Diffusion oder sonstigen Techniken anwenden.In the above exemplary embodiment, work is carried out on doping boron for controlling the threshold voltage V T of an MIS field effect transistor with an ion insert; however, the present invention can also be used for doping boron in conjunction with thermal diffusion or other techniques.
Ferner ist das obige AusfUhrungsbeispiel anhand eines MOS-FeIdeffekttransistors mit P-Kanal beschrieben worden; die vorliegende Erfindung läßt sich in ähnlicher Weise auch bei einem MOS-Feldeffektelement mit N-Kanal anwenden. Um beispielsweise den Leckstrom Ιτ^τ zwischen Source und Drain eines Verarmungs-MOS-Transistors mit N-Kanal zu vermindern, der beispielsweise durr.h Ioneneinsatz von Phosphor in den Kanal eines Anreicherungs-MOS-Transistors mit N-Kanal unter Verwendung von Al2O, für den Gate-Oxidfilm hergestellt worden ist, läßt sich der .Ioneneinsatz von Bor ferner in der Umgebung der maximalen Tiefe xdmax der Verarmungsschicht des Kanals durchführen.Furthermore, the above exemplary embodiment has been described using a MOS field effect transistor with a P-channel; the present invention can be applied in a similar manner to an N-channel MOS field effect element. For example, in order to reduce the leakage current Ιτ ^ τ between the source and drain of a depletion MOS transistor with N-channel, for example durr.h ion use of phosphorus in the channel of an enrichment MOS transistor with N-channel using Al 2 O, has been produced for the gate oxide film, the ion use of boron can also be carried out in the vicinity of the maximum depth x dmax of the depletion layer of the channel.
Außer der Steuerung der Schwellenspannung VT eines MIS-FeIdeffekttransistors ist die vorliegende Erfindung auch auf folgenden Gebieten anwendbar:In addition to controlling the threshold voltage V T of an MIS field effect transistor, the present invention can also be used in the following fields:
(1) Beim Bipolar-Transistor: Bei derartigen Bipolartransistoren nach dem Stand der Technik hat die Verteilung der Störstoffkonzentration den in Fig. 4a gezeigten Verlauf. Die Lage des Basis-Kollektor-übergangs JCß ist auf der Herstellungsstufe starken Schwankungen unterworfen, so daß die Verteilungen der Orenzfrequenz f™ und des Stromverstärkungsfaktors hp2 stark ungleichmäßig sind.(1) In the case of the bipolar transistor: In the case of such bipolar transistors according to the prior art, the distribution of the impurity concentration has the profile shown in FIG. 4a. The position of the base-collector junction J Cß is subject to strong fluctuations at the manufacturing stage, so that the distributions of the frequency frequency f ™ and the current gain factor hp 2 are highly uneven.
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Wird der Ioneneinsatz so durchgeführt, daß die Spitze der Verteilung in die Nähe des Basis-Kollektor-Übergangs J„j> rückt, so gelangt die Lage des sich ergebenden Basis-Kollektor-Übergangs an die in Fig. 4b gezeigte Stelle J'r«t> > wobei gleichzeitig die Lagegenauigkeit erhöht wird. Die Ungleichförmigkeit in den Verteilungen von und hprg können somit verringert werden.If the ion insert is carried out in such a way that the tip of the distribution moves in the vicinity of the base-collector junction J "j> , the position of the resulting base-collector junction comes to the point J'r" shown in FIG. 4b. t>> whereby the positional accuracy is increased at the same time. The non-uniformity in the distributions of and hprg can thus be reduced.
Außerdem läßt sich die Basisbreite w, erheblich auf den \Jert w'>, vermindern, wodurch es möglich wird, Transistoren mit hoher Grenzfrequenz und hohem Stromverstärkungsfaktor herzustellen. In addition, the base width w can be reduced considerably to the value w '>, which makes it possible to produce transistors with a high cut-off frequency and a high current gain factor.
(2.) Bei der Diode mit variabler Kapazität: Falls bei einer derartigen Diode mit variabler Kapazität nach dem Stand der Technik, die infolge doppelter Diffusion einen übermäßig abrupten Übergang aufweist, wie dies anhand der S tör stoff konzentrationverteilung in Fig. 5a gezeigt ist, der Ioneneinsatz gemäß der Kurve (c)' der Fig. 5b durchgeführt wird, steigt der Gradient der StörStoffkonzentration. Infolgedessen wird die Kapazitäts-Änderungszahl größer, so daß die Empfindlichkeit der Kapazität bezüglich der Spannung verstärkt wird.(2.) For the diode with variable capacitance: If with such a diode with prior art variable capacitance resulting from double diffusion exhibits an excessively abrupt transition, as shown by the pollutant concentration distribution is shown in Fig. 5a, the ion insert according to the curve (c) 'of Fig. 5b is carried out, the gradient of the contaminant concentration increases. Consequently the capacity change number becomes larger, so that the sensitivity of the capacitance to voltage is enhanced.
(3) Bei der lichtemittierenden Diode:(3) For the light emitting diode:
Wie anhand von Fig. 2 am Beispiel des MOS-Transistors erläutert, ist es erfindungsgemäß möglich, einen sehr dünnen PH-ÜbergQngsbereich auszubilden. Bei einen derartig dünnen FN-Übergangsbereich werden dayrn emittierte Lichtstrahlen nur in geringem MaßeAs explained with reference to FIG. 2 using the example of the MOS transistor, it is according to the invention possible, a very thin PH transition area to train. With such a thin FN transition area, dayrn are emitted Light rays only to a small extent
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absorbiert, da der Abstand zur Oberfläche kleiner ist als nach den Stand der Technik., Die Strahlungsleistung wird somit verstärkt.absorbed, since the distance to the surface is smaller than according to the prior art., The radiation power is thus increased.
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